1

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

DISEÑO DE UN SISTEMA DE TELEMETRÍA BASADO EN TRANSMISORES DE CORRIENTE Y TECNOLOGÍA CELULAR GSM, PARA EL MONITOREO Y PREVENCIÓN DE FUGAS EN

UNA SECCIÓN DEL POLIDUCTO TRANSECUATORIANO.

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÒN DEL TÍTULO DE INGENI ERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

DIEGO FERNANDO ESPÍN ESTÉVEZ

EDISON FERNANDO MALDONADO TINIZARAY

DIRECTOR: DR. LUIS CORRALES

Quito, Enero de 2008

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DECLARACIÓN

Nosotros, Diego Fernando Espín Estévez y Edison Fernando Maldonado

Tinizaray, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra

autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación

profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se

incluyen en este documento.

A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad

intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,

según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por

la normatividad institucional vigente.

Diego Fernando Espín Estévez Edison Fernando Maldonado Tinizaray

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CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Diego Fernando Espín

Estévez y Édison Fernando Maldonado Tinizaray, bajo mi supervisión.

Dr. Luis Corrales DIRECTOR DEL PROYECTO

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CONTENIDO

CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE DERIVADOS DE PETRÓLEO POR EL POLIDUCTO………………………..…..

1

1.1 INTRODUCCIÓN………………………………………………............................ 1 1.2 OBJETIVO GLOBAL DEL PROYECTO............................................................... 2 1.3 FUNDAMENTACIÓN DEL PROBLEMA............................................................. 3 1.4 IMPORTANCIA ECONÓMICO – SOCIAL Y APLICACIÓN DE LOS RESULTADOS........................................................................................................

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1.5 ANÁLISIS PARA ELECCIÓN DE VARIABLES A SENSAR.............................. 10

1.6 IMPORTANCIA ECONÓMICO – SOCIAL Y APLICACIÓN DE LOS RESULTADOS........................................................................................................

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CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TRANSMISIÓN DE DATOS SOBRE GSM.….………………………………………………………...

13

2.1 GENERALIDADES................................................................................................. 13 2.1.1 DEFINICIÓN DE GSM..................................................................................... 13 2.1.2 BANDAS DE FRECUENCIA PARA GSM...................................................... 14 2.1.3 VENTAJAS Y BENEFICIOS DE GSM…………............................................ 15 2.1.4 VELOCIDADES Y ANCHO DE BANDA, RADIO DE LA CELDA.............. 17 2.2 ARQUITECTURA DE LA RED GSM.................................................................... 18 2.2.1 IDENTIFICADORES......................................................................................... 21 2.2.2 AUTENTACIÓN................................................................................................ 23 2.2.3 INTERFACES GSM.......................................................................................... 24 2.3 ENLACE DE RADIO............................................................................................... 25 2.3.1 CANALES DE TRÁFICO................................................................................. 27

2.3.1.1 Canales Full Rate....................................................................................... 28 2.3.1.2 Canales Half Rate...................................................................................... 30 2.3.2 CANALES DE CONTROL................................................................................ 30 2.3.2.1 BCHS (Broadcast Channels): FCCH, SCH, BCCH.................................. 31 2.3.2.2 Canales de Control Común........................................................................ 32 2.3.2.3 Canales de Control Dedicados................................................................... 32 2.3.3 CODIFICACIÓN DE VOZ................................................................................ 33 2.3.4 CONTROL DE POTENCIA.............................................................................. 34 2.4 ASPECTOS DE LA RED........................................................................................ 34 2.4.1 MANEJO DE LOS RECURSOS DE RADIO................................................... 37 2.4.1.1 Handover.................................................................................................... 37 2.4.2 MANEJO DE LA MOVILIDAD...................................................................... 38

2

2.4.2.1 Localización del móvil.............................................................................. 39 2.4.2.2 Actualización de la localización................................................................ 40 2.4.2.3 Cifrado y seguridad.................................................................................... 41 2.4.3 MANEJO DE LAS COMUNICACIONES........................................................ 41 2.4.3.1 Direccionamiento de llamadas................................................................... 42 2.5 SERVICIOS OFRECIDOS..................................................................................... 42 2.5.1 SERVICIOS PORTADORES........................................................................... 43 2.5.2 TELESERVICIOS.............................................................................................. 43 2.5.3 SERVICIOS SUPLEMENTARIOS................................................................... 44 2.6 GPRS....................................................................................................................... 44 2.6.1 GENERALIDADES.......................................................................................... 44 2.6.2 ARQUITECTURA............................................................................................ 45 2.6.3 APLICACIONES............................................................................................... 48 2.6.4 COMUNICACIÓN DE DATOS DE GPRS....................................................... 48 2.6.4.1 Enrutamiento de los Datos....................................................................... 49 2.6.4.1.1 Encaminamiento del paquete de los datos................................... 49 2.6.4.2 Manejo de la Movilidad de GPRS........................................................... 49 2.7 SMS (SHORT MESSAGE SERVICE).................................................................. 52 2.7.1 GENERALIDADES........................................................................................ 52 2.7.2 VENTAJAS DEL SERVICIO DE MENSAJERÍA CORTA.......................... 53 2.7.3 ARQUITECTURA.......................................................................................... 53 2.7.3.1 Entidades de Mensajería Corta................................................................ 54 2.7.3.2 Centro de Servicio de Mensajería Corta.................................................. 54 2.7.3.3 SMS-Gateway/ Interworking Mobile Switching Center......................... 54 2.7.3.4 Registro casero de la localización............................................................ 55 2.7.3.5 Centro de conmutación móvil.................................................................. 55 2.7.3.6 Registro de localización del visitante...................................................... 55 2.7.3.7 El sistema de estación base...................................................................... 55 2.7.3.8 La estación móvil..................................................................................... 56 2.7.4 SERVICIOS DEL SUSCRIPTOR................................................................... 56 2.8 ASPECTOS GENERALES DE GSM/GPRS.......................................................... 59 CAPÍTULO 3 DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS MÓDULOS GSM Y DE LOS TRANSMISORES DE CORRIENTE.……………..

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3.1. LA TELEMETRÍA COMO SOLUCIÓN EFICAZ DEL MONITOREO Y CONTROL DE PROCESOS……………….…………………......………………

64

3.1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN PROCESO CON TELEMETRÍA GPRS..................................................................................................................

66

3.1.1.1 Adquisición de datos………………………….…………………….…… 66 3.1.1.2 Procesamiento de datos y Actuación………………………….…….…... 66 3.1.2 INTERACCIÓN CON EL USUARIO Y EL SISTEMA CENTRAL…..…….. 68 3.1.2.1 Teléfonos móviles…………………….…….…………………….…….. 68 3.1.2.2 Ordenador Central…………………………………….…..……….……. 68 3.1.2.3 Seguridad del sistema……………………….………….……………….. 69 3.1.2.4 SMS………………………………………………..….………….…..…. 70

3

3.1.2.5 APN/GPRS………………..……………………………….……………. 70 3.1.3 CAMPOS DE APLICACIÓN…………………………………….………..…. 70 3.2 TELECOMANDO. TRANSMISIÓN ÓPTICA DE DATOS……………...……... 72 3.2.1 ACOPLADORES ÓPTICOS PARA TRANSMISIÓN DE DATOS……...….. 72 3.2.2 ACOPLAMIENTO ÓPTICO DE DATOS……………………..……………... 73 3.3. FREEWAVE. RADIOS PARA TELEMETRÍA Y SCADA………………..…… 74 3.3.1 COMMCONTROL (A LA VENTA, BAJO LICENCIA)…….…………..…... 77 3.3.2 EZ CONFIG (DESCARGA GRATUITA)………….……………………..….. 77 3.4 EQUIPO RTU/GPRS WILLSA-CONTROL 4…………………….…..…………. 78 3.4.1 FUNCIONANDO COMO EQUIPO DE TELECONTROL………………..... 78 3.4.2 EN EL CAMPO DE LA TELEMETRÍA………………………………..……. 79 3.4.3 CONFIGURADO COMO TRADUCTOR DE PROTOCOLOS……………... 79 3.4.4 COMO LIMITADOR DE CARGA, UNA FUNCIÓN ÚTIL PARA EL MERCADO ELÉCTRICO……………………………………………….........

80

3.4.5 APLICACIONES…………………………………………………………..…. 81 3.5. NETBITER® DISPOSITIVO REMOTO DE SOLUCIONES DE ADMINISTRACIÓN..............................................................................................

81

3.5.1 PERSPECTIVA DEL NETBITER® DISPOSITIVO REMOTO DE SOLUCIONES DE ADMINISTRACIÓN………………………………...…..

82

3.5.2 BENEFICIOS TÉCNICOS Y CONCEPTUALES……………...…………….. 83 3.5.3 GSM / GPRS MODEM…………………………………………………..….... 84 3.6 TRANSMISOR DE TEMPERATURA PR ELECTRONICS………………..….... 85 3.7 TRANSMISORES DE PRESIÓN Y ACCESORIOS TRANS-P………………… 85 3.7.1 APLICACIONES….……………………………………………………..…… 86 3.7.2 ESPECIFICACIONES…………………………………………….………….. 86 3.8 TRANSMISORES DE NIVEL DE LÍQUIDO……………………………………. 87 3.8.1 ESPECIFICACIONES……………..…………………………………………. 87 3.9 TRANSMISORES DE PRESIÓN PARA LÍQUIDOS Y GASES………………... 88 3.9.1 TRANSMISOR COMPACTO MONORANGO SITRANS P SERIE Z……... 88 3.10 MÓDULO FOTOVOLTAICO I-22………………………………….…………… 89 3.11 JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………. 91 CAPÍTULO 4 MAPA Y EXAMEN DEL SITIO (MAP Y SITE SURVEY) EN EL TRAMO QUITO – AMBATO………………………………..……………………………… ...

93

4.1 GEOREFERENCIACIÓN………………...………………………….………….. 93 4.1.1 OBJETIVOS……………………………...…………………..………….…... 93 4.1.2 EQUIPOS………………………………………………………………....…. 94 4.1.3 PERSONAL………………………………………………………………...... 94 4.1.4 METODOLOGÍA DE TRABAJO……………………………………...…… 95 4.1.4.1 Criterios de georeferenciación…………………………………………. 95 4.1.4.2 Procedimiento………………………………………………………...... 95 4.2 MEDICIÓN DE PARÁMETROS DE LA SEÑAL GSM……………...………... 96 4.2.1 COBERTURA: PARÁMETROS Y METODOLOGÍA……….…………….. 96 4.2.2 EQUIPOS……………………………………………………………………. 97 4.2.3 PARÁMETROS DE LA SEÑAL GSM……………………………………... 98

4

4.2.3.1 Accesibilidad de la red…………………………………………………. 99 4.2.3.2 Accesibilidad del servicio……………………………………………… 99 4.2.3.3 Integridad del servicio…………………………………………….….... 100 4.2.4 FACTORES PRINCIPALES QUE AFECTAN A LA CALIDAD DE LA SEÑAL DE RADIO……………………………………………………........

101

4.3 ESTADÍSTICAS DE COBERTURA……………………………………...……. 103 4.4. GEOREFERENCIACIÓN Y NIVELES DE SEÑAL…………………....……... 106 4.5 ESTABLECIMEINTO DE PUNTOS VULNERABLES DEL POLIDUCTO….. 111 4.6 INTERPRETACIÓN DE DATOS………………………………………...…….. 117

CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS POR MEDI O DE GSM…………………………………………………………………………………….

119

5.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES DEL POLIDUCTO……………………………………………………………………..

119

5.2. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE DEL MICROCONTROLADOR DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS……….............

128

5.3. DESCRIPCIÓN Y DISEÑO DEL SOFTWARE PARA ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS………………………………………......……

131

5.3.1. DESCRIPCIÓN DE INSTRUCCIONES UTILIZADAS…………......…….. 132 5.3.2. DISEÑO DEL SOFTWARE DE INTERFAZ DE USUARIO PARA GESTIÓN Y VISUALIZACIÓN DE INFORMACIÓN Y EVENTOS..........

136

CAPÍTULO 6 PRUEBAS, RESULTADOS Y DETALLE DE COSTOS.………………………… 144 6.1 ASPECTOS RELACIONADOS CON LAS MEDICIONES DE PRESIÓN, TEMPERATURA Y VIBRACIONES...................................................................

144

6.1.1 PRESIÓN.......................................................................................................... 145 6.1.2 TEMPERATURA............................................................................................. 148 6.1.3 VIBRACIÓN.................................................................................................... 149 6.1.3.1 Definición de vibración........................................................................... 150 6.2 PRUEBAS REALIZADAS.................................................................................... 152 6.2.1 ASPECTOS GENERALES DE PRUEBAS REALIZADAS........................... 152 6.2.2. RESULTADO DE LAS PRUEBAS REALIZADAS...................................... 153 6.3 ASPECTOS GENERALES SOBRE COSTOS Y BENEFICIOS DEL PROYECTO...........................................................................................................

156

6.3.1 BALANCE DE LOS IMPACTOS GENERADOS POR EL PROYECTO... 157 6.3.2 BENEFICIOS DEL PROYECTO.................................................................... 158 6.3.3 IMPACTOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO...................... 158 6.3.4 FLUJO DE CAJA DEL PROYECTO.............................................................. 159 6.3.4.1. TIR (Tasa interna de Retorno)................................................................ 159 6.3.4.2. VAN (Valor Actual Neto)…………………………………………….. 160 6.3.5 DETERMINACIÓN DE COSTOS UNITARIOS Y TOTALES DEL

5

PROYECTO..................................................................................................... 161 6.3.6 CONSTRUCCIÓN DEL FLUJO DE FONDOS DEL PROYECTO............... 163 6.3.7 RESULTADOS DE LA RELACIÓN COSTO/BENEFICIO....................... 163 6.3.7.1 Costos...................................................................................................... 164 6.3.7.2 Beneficios................................................................................................ 165 CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………..…........... 166 7.1 CONCLUSIONES.................................................................................................. 166 7.2 RECOMENDACIONES......................................................................................... 168

6

CONTENIDO DE FIGURAS CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE DERIVADOS DE PETRÓLEO POR EL POLIDUCTO

Figura 1.1. Mapa de la red de Poliductos de PETROCOMERCIAL................................ 4 Figura 1.2. Representación gráfica de puntos kilométricos............................................... 6

CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TRANSMIS IÓN DE DATOS SOBRE GSM

Figura 2.1. Arquitectura de una Red GSM....................................................................... 18 Figura 2.2. Identidades en GSM....................................................................................... 21 Figura 2.3. Autentificación y Cifrado............................................................................... 23 Figura 2.4 Ejemplo de Utilización de TDMA.................................................................. 26 Figura 2.5 Canales GSM................................................................................................... 27 Figura 2.6 Canales de Tráfico.......................................................................................... 28 Figura 2.7 Estructura de una Hypertrama......................................................................... 29 Figura 2.8 Canales de Control.......................................................................................... 31 Figura 2.9. Antenas GSM................................................................................................. 35 Figura 2.10. Estructura del Protocolo de Señalización en GSM...................................... 36 Figura 2.11. Handover...................................................................................................... 37 Figura 2.12. Localización del Móvil................................................................................. 40 Figura 2.13. Procedimiento de Llamada........................................................................... 42 Figura 2.14. Arquitectura de la red GPRS........................................................................ 47 Figura 2.15. Encaminamiento de Paquetes de Datos........................................................ 50 Figura 2.16 Estados de GPRS en una Estación Móvil...................................................... 50 Figura 2.17 Elemento de Red y Arquitectura................................................................... 54 Figura 2.18. Mensaje Corto Originado por el Móvil........................................................ 57 Figura 2.19 Mensaje Corto Terminado por el Móvil........................................................ 58 CAPÍTULO 3 DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS MÓDULOS GSM Y DE LOS TRANSMISORES DE CORRIENTE

Figura 3.1. Descripción del módulo GPRS…………………………………….............. 66 Figura 3.2. Adquisición de datos a través de un módulo compacto……………...…….. 67 Figura 3.3. Interacción de los diferentes módulos en red GSM/GPRS……………........ 67 Figura 3.4. Comunicación entre la aplicación central y los módulos en la red GSM/GPRS.....................................................................................................

69

Figura 3.5. Ejemplo de control logístico de distribución………………...……………... 71

7

Figura 3.6. Acopladores Ópticos de varios tipos………………………………….……. 72 Figura 3.7. Acopladores ópticos inalámbricos…………………………………………. 73 Figura 3.8. Esquema de funcionamiento y compatibilidad de los Tranceptores.............. 75 Figura 3.9. Radios con terminales I/O………………………………………………….. 76 Figura 3.10. Radios ETHERNET, 115/867 Kbps………………………………………. 76 Figura 3.11. Radios RS-232/422/485, 115 Kbps……………………………………….. 76 Figura 3.12. CommControl……………………………………………………………... 77 Figura 3.13. EZ Config…………………………………………………………………. 77 Figura 3.14. FreeWave Enterprise Gateway……………………………………………. 78 Figura 3.15. Tarjeta de Adquisición y envío de Datos a través de GSM/GPRS.…......... 79 Figura 3.16. Módulos de Adquisición y Transmisión de Datos NETBITER…….…….. 82 Figura 3.17. Dispositivo Remoto de Soluciones de Administración……………...……. 83 Figura 3.18. Modem GSM / GPRS SIEMENS…………………………...…………….. 54 Figura 3.19. Transmisor Programable………………………………………………….. 85 Figura 3.20. Transmisores de Presión, Temperatura y Caudal…………………............. 85 Figura 3.21. Transmisores de nivel de líquido…………………………………………. 87 Figura 3.22. Transmisores de presión con display e invasivos………………...……….. 88 Figura 3.23. Transmisores invasivos de 4 a 20 mA……………………………….……. 89 Figura 3.24. Módulo Fotovoltaico………………………………………………............ 90 CAPÍTULO 4 MAPA Y EXAMEN DEL SITIO (MAP Y SITE SURVEY) EN EL TRAM O QUITO – AMBATO

Figura 4.1. Equipo Magellan GP 315….……………………………………………… 94 Figura 4.2. Equipo Analizador de Frecuencias BK-Precision 2658….…..…………... 97 Figura 4.3. Estadísticas de Calidad de Señal…………………..……….……………... 104 Figura 4.4. Distribución Acumulada de Intensidad de Señal………..………....……... 104 Figura 4.5. Datos Estadísticos de Throughput y transferencia de Datos…..…….……. 105 Figura 4.6. Mapa de cobertura de CONECEL (RED EGPRS) en el Trayecto Quito – Ambato……………………………………………..…………….

105

Figura 4.7. Mapa de cobertura de CONECEL (RED GSM) en el Trayecto Quito – Ambato…………………………………………………………...

106

Figura 4.8. Nivel de Señal máximo en la banda de operación celular………....……… 110 Figura 4.9. Primer nivel de señal con otro tipo de interfaz Gráfica del Software……...

110

Figura 4.10. Mapa de Georeferenciación del Poliducto Quito – Ambato…………….. 111 CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS POR MEDIO DE GSM

Figura 5.1 Diseño para sitios sin acceso a la Red eléctrica común…………......…….. 120 Figura 5.2 Diseño para sitios con acceso a la Red eléctrica común…………......……. 121 Figura 5.3 Diagrama detallado para punto de sensado………………………......……. 122

8

Figura 5.4. Tarjeta de adquisición de datos…………………………………......…….. 122 Figura 5.5. Transmisores de Presión y Temperatura……………………….....………. 123 Figura 5.6. Sensor de Vibraciones Marca PCE……………………………….....……. 125 Figura 5.7. Diagrama de circuito de instalación de un panel solar…………….....…… 126 Figura 5.8. Diagrama de una configuración fotovoltaica típica…………………......... 126 Figura 5.9. Diagrama del circuito de funcionamiento del sistema de alimentación del equipo……………………………………………………………....……...

127

Figura 5.10. Antena Yagui para banda celular………………………………...……… 128 Figura 5.11. Diagrama de Flujo del Software del Microcontrolador…………...…….. 129 Figura 5.12. Ventana de presentación de Información recibida………………...…….. 131 Figura 5.13. Diagrama de Flujo General del Software de Monitoreo…………..…….. 137 Figura 5.14. Ventana Inicio de Sesión…………………………………………..…….. 139 Figura 5.15. Ventana Monitoreo de Fugas para Poliductos………………….……….. 139 Figura 5.16. Ventana Captación de Datos I………………………………….………... 140 Figura 5.17. Ventana Captación de Datos II………………………………….……….. 140 Figura 5.18. Ventana Estatus de Sensores……………………………………….……. 141 Figura 5.19. Ventana Imprimir Informe………………………………………………. 143 CAPÍTULO 6 PRUEBAS, RESULTADOS Y DETALLE DE COSTOS Figura 6.1. Multímetro FLUKE 179............................................................................... 148 Figura 6.2. Analizador de Vibraciones marca SNAPSHOT........................................... 151 Figura 6.3 Datos recopilados de de los Puntos de Sensado 1, 2 y 3............................... 153 Figura 6.4. Información desplegada en los Globos indicadores..................................... 154 Figura 6.5. Informe estadístico de la información recopilada de los sensores............... 155

CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

9

CONTENIDO DE TABLAS CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE DERIVADOS DE PETRÓLEO POR EL POLIDUCTO

Tabla 1.1 Puntos identificados del poliducto Quito – Ambato......................................... 5 Tabla 1.2 Estaciones del poliducto Quito - Ambato......................................................... 8 Tabla 1.3 Volumen de combustible transportado por el poliducto Quito – Ambato. Año 2005..........................................................................................................

10

CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TRANSMIS IÓN DE DATOS SOBRE GSM

Tabla 2.1 Bandas de Frecuencia GSM............................................................................. 14 Tabla 2.2 Interfaces GSM................................................................................................. 24 Tabla 2.3 Clases de Potencias para Estaciones Móviles................................................... 34 CAPÍTULO 4 MAPA Y EXAMEN DEL SITIO (MAP Y SITE SURVEY) EN EL TRAMO QUITO – AMBATO

Tabla 4.1. Estadísticas de Calidad de Señal……………………………………........... 103 Tabla 4.2. Distribución Acumulada de Intensidad de Señal……………………........... 104 Tabla 4.3. Datos Estadísticos de Throughput y transferencia de Datos……….....…… 105 Tabla 4.4. Frecuencias de Transmisión de móviles y estaciones bases………….......... 107 Tabla 4.5. Canales de Control y Frecuencias de los Bloques A y B…………….......... 108 Tabla 4.6 Niveles de Señal y Georeferenciación……………………………………… 109 Tabla 4.7 Estado de la tubería, Factores de Riesgo y ubicación de sensores.....……… 112 CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS POR MEDI O DE GSM

Tabla 5.1 Características Técnicas del Sensor de Vibración………………......……... 125 CAPÍTULO 6 PRUEBAS, RESULTADOS Y DETALLE DE COSTOS

10

Tabla 6.1. Estaciones del Poliducto Quito-Ambato....................................................... 144 Tabla 6.2. Características Técnicas de la tubería del Poliducto Quito-Ambato............. 145 Tabla 6.3. Presión Máxima y Mínima presentes en el Poliducto Quito-Ambato.......... 146 Tabla 6.4. Características técnicas de multímetro FLUKE 170..................................... 149 Tabla 6.5. Contrastación de datos obtenidos y error generado...................................... 156 Tabla 6.6 Costos del Hardware...................................................................................... 161 Tabla 6.7 Costos Central de Monitoreo......................................................................... 161 Tabla 6.8 Gastos Administrativos y Operacionales....................................................... 162 Tabla 6.9 Gastos de Constitución.................................................................................. 162 Tabla 6.10 Costos de Activos........................................................................................ 162 Tabla 6.11 Depreciaciones y Amortizaciones................................................................ 162 Tabla 6.12 Costos de Honorarios Profesionales............................................................ 163 CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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CONTENIDO DE FOTOS CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE DERIVADOS DE PETRÓLEO POR EL POLIDUCTO

Foto 1.1. Estación de Bombeo Beaterio........................................................................... 3 Foto 1.2. Perforaciones clandestinas para robo de derivados........................................... 7 Foto 1.3. Válvulas reductoras de presión.......................................................................... 9 Foto 1.4. Sección de tubería de poliducto......................................................................... 9 Foto 1.5. Cortes y perforaciones de la tubería del poliducto............................................ 11 CAPÍTULO 6 PRUEBAS, RESULTADOS Y DETALLE DE COSTOS Foto 6.1. La Nasa PK 37................................................................................................. 147 Foto 6.2. Cuartel Vencedores PK 20.............................................................................. 147

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ANEXOS

ANEXO 1: REPRESENTACIÓN DE PUNTOS KILOMÉTRICOS DEL

POLIDUCTO QUITO-AMBATO………………………………………

175

ANEXO 2: TIPOS DE PERFORACIÓN PARA ROBO DE COMBUSTIBLES… 179 ANEXO 3: MEDICIONES DE NIVEL DE SEÑAL Y GEOREFERENCIACIÓN... 181 ANEXO 4: DATASHEETS………………………………………………………….. 190

13

RESUMEN

Los problemas que afronta PETROECUADOR al no disponer de un indicador que

permita conocer en tiempo real sobre derrames de petróleo y sus derivados,

provocados por robos y actos mal intencionados, ha impedido que se corrija

oportunamente los mismos, causando severas repercusiones sobre el medio

ambiente y grandes perjuicios económicos al estado.

Debido a los problemas y necesidades descritas anteriormente, se ha propuesto

el diseño de un sistema de adquisición, transmisión y recepción de parámetros

relacionados con el transporte de crudo por las tuberías.

Con este objetivo, en este proyecto se busca poder controlar (monitorear)

variables como: Presión, Temperatura y Vibraciones desde un centro de control,

al que llegará toda la información que se obtendrá desde puntos de monitoreo

estratégicos ubicados a lo largo del poliducto. Esta información serviría para

alertar a los organismos pertinentes sobre situaciones anómalas., y estos puedan

reaccionar oportunamente. Como un primer paso, objetivo de este trabajo, se

busca diseñar un prototipo que cumpla con el objetivo indicado que cubra el tramo

Quito – Ambato del poliducto.

Para presentar este trabajo, las tareas se han dividido en siete capítulos. En el

Capítulo 1 se realiza el planteamiento del problema a dar solución, describiendo y

analizando todos los factores influyentes que se deben considerar para evitar el

robo de derivados de petróleo.

En el Capítulo 2 se describe la Tecnología GSM para la transmisión de datos,

utilizando SMS o GPRS, tratando de enfocar el estudio hacia la determinación de

sus ventajas y desventajas para el propósito de este trabajo.

En el Capítulo 3 se describen las características técnicas de los módulos GSM,

transmisores de corriente y sensores de vibración, temperatura y presión. Se hace

énfasis en seleccionar equipos que califiquen como intrínsecamente seguros.

14

En el Capítulo 4 se presenta e interpreta la información de cobertura que brindan

de los proveedores de telefonía celular GSM, obtenida en el trayecto comprendido

entre Quito y Ambato y se procede a la verificación de estos datos en los puntos

destinados para monitoreo de variables.

En el Capítulo 5 se presenta el diseño del software para el procesamiento de los

datos, gestión de eventos (alarmas, cambios en las variables a monitorear, etc).

En el Capítulo 6 se describen las pruebas efectuadas al equipo en su totalidad y

se listarán los resultados obtenidos. Además se presenta un breve análisis de

costos del equipo diseñado y los equipos que se usarán adicionalmente, y un

breve análisis de mercado para determinar si es o no viable su comercialización

en el mercado ecuatoriano.

En el Capítulo 7 se indican las conclusiones y recomendaciones que se

obtuvieron en el desarrollo de éste Proyecto de Titulación.

15

PRESENTACIÓN

En este trabajo se busca ayudar a resolver la problemática que afecta a

PETROECUADOR en cuanto a robo de combustibles, un problema que está

causando daños irreparables al medio ambiente y causa ingentes pérdidas

económicas al país. El objetivo de este proyecto consistió en diseñar un sistema

de adquisición, transmisión y recepción de los siguientes parámetros asociados

con el transporte de crudo: vibraciones, temperatura y presión.

La tecnología de comunicación empleada para la transmisión de los datos es la

de GSM/GPRS, la misma que recoge la información capturada por transmisores

industriales de vibración, temperatura y presión ubicados en puntos críticos del

poliducto. Cuando se detecten valores fuera de aquellos establecidos como

normales, el sistema hace conocer de este particular al centro de control, en

donde se ha desarrollado una interfaz hombre-máquina (HMI) con este propósito.

Los resultados, producto de varias pruebas realizadas, mostraron que, tanto

equipos de medición de variables (sensores), equipos de transmisión y recepción

de datos y software diseñado para interpretación de la información, funcionaron

de acuerdo a las expectativas planteadas como objetivos de este proyecto.

Un análisis económico realizado sobre la factibilidad de implementación del

presente diseño, dio índices favorables, especialmente, al tomarse en cuenta la

contribución de este proyecto en la economía del país. Los impactos también

serán favorables pues se reducirán los daños ambientales causados a nivel local.

1

CAPÍTULO 1

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL SISTEMA DE

TRANSPORTE DE DERIVADOS DE PETRÓLEO POR EL

POLIDUCTO.

1.1 INTRODUCCIÓN

PETROECUADOR tiene la responsabilidad de velar por la explotación racional de

los recursos petroleros, así como, de la distribución y venta de derivados de

petróleo en el país. Además tiene la responsabilidad de prever y evitar los

posibles efectos dañinos que estas actividades causen al medio ambiente, salud

de la población actual y, por consiguiente, generaciones futuras.

Esta enorme responsabilidad obliga a Petroecuador a tomar medidas de control

en tiempo real sobre el poliducto, evitando así derrames y robo de derivados.

Como parte del sistema de control el presente proyecto propone diseñar un

sistema piloto de monitoreo en tiempo real del poliducto, para evitar las pérdidas

ocasionadas por diferentes motivos.

Actualmente, PETROECUADOR no dispone de un sistema de monitoreo en

tiempo real del poliducto, lo que ha dado lugar a que los derrames de petróleo y

derivados tengan severas repercusiones sobre el medio ambiente, y que los robos

constantes de gasolina y diesel causen grandes perjuicios económicos al estado.

De acuerdo a la firma Meric Holding Limited, la cual realizó una auditoria externa

en 1995, la pérdida por el robo de gasolina (súper y extra) y de diesel está en el

rango de 50,3 a 55,9 millones de dólares anuales, y, considerando la desaparición

de derivados por modificaciones en el sistema de balances, las pérdidas llegan a

150 millones de dólares. El volumen de pérdidas, según PETROCOMERCIAL, en

2

el 2002 es del orden de 3’056.920 galones, lo que corresponde al 0,21% de la

producción. En el 2003, de acuerdo a las autoridades de PETROECUADOR, las

pérdidas por robo fluctúan entre 60 a 80 millones de dólares anuales.

En los últimos años la estatal petrolera pierde, por robo de combustibles,

aproximadamente 150 millones de dólares al año, declaraciones del ex-Ministro

de Energía Carlos Arboleda (Diario el Comercio 2 de marzo del 2006)

1.2 OBJETIVO DEL PROYECTO

Diseñar un sistema prototipo de adquisición, transmisión y recepción de datos de

vibraciones, temperatura y presión del poliducto, a lo largo del tramo comprendido

entre Quito y Ambato, mediante circuitos de transmisión GSM y transmisores

industriales de vibración, temperatura y presión en puntos críticos del poliducto,

para evitar fugas y robo de los derivados. El diseño deberá contemplar la

posibilidad de que el sistema desarrollado pueda ser reproducido en otras

secciones del poliducto.

Para el cumplimiento del objetivo principal, será necesario respaldarlo con los

siguientes objetivos específicos:

• Fundamentar mediante pruebas de campo el análisis de vibraciones,

temperatura y presión.

• Seleccionar los equipos y sensores a ser adquiridos, que permitirán el análisis

de presión, temperatura y vibraciones

• Obtener los patrones de comportamiento de los diferentes tipos de vibraciones

causadas en los poliductos.

• Diseñar la Unidad de Detección Prototipo a ser instalada en los tramos del

poliducto.

• Determinar la factibilidad del método de sensado de presión, temperatura y

vibraciones como alternativa para la detección de fugas causadas por rupturas

intencionales en el poliducto.

3

1.3 FUNDAMENTACIÓN DEL PROBLEMA

En condiciones normales, el poliducto presenta un conjunto característico de

señales acústicas, propias de un sistema estable.

Las fugas, obstrucciones, rupturas de tuberías, así como fallas en las bombas o

compresores causan un comportamiento anómalo de la red del poliducto. Un

sistema de detección de fugas debe permitir la localización del problema, la

transmisión inmediata de los parámetros críticos y la activación de alarmas que

permitan a los operadores tomar las medidas correctivas adecuadas.

En la tubería se propagan ondas mecánicas producidas por diversas fuentes que

producen perturbaciones de distintas frecuencias como son: bombas,

accionamiento de válvulas, reductores de presión, efectos térmicos, perforaciones

externas, roce del líquido viscoso con el tubo, ruidos aleatorios, etc. (Ver Foto 1.1)

Foto 1.1. Estación de Bombeo Beaterio

Los sensores que existen en la actualidad permiten la obtención de parámetros

críticos en sistemas estables (para este caso vibración, temperatura y presión),

razón por la cual, en el presente proyecto se dará mayor énfasis en la transmisión

de datos, tema correspondiente a Telecomunicaciones, realizando un minucioso

estudio de cobertura y otros factores importantes para garantizar la integridad de

4

los datos. Los datos de la Tabla 1.1 permiten identificar los puntos kilométricos

(PK) a lo largo del tramo Quito – Ambato como se muestra en la Figura 1.2.

En la Figura 1.1 se muestra la red de Poliductos existentes en el País.

Fig

ura

1. 1

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L [

1.1]

5

Tabla 1.1. Puntos identificados del poliducto Quito - Ambato [ 1.1]

PK 00 BEATERIO

PK 40 ACOSA

PK 81 BARRIO SAN JOSE

1 GUAMANI-CAUPICHO 41 ACOSA 82 COMUNA ODILA JALO SALCEDO

2 CIUD. STO. THOMAS 42 ACOSA 83 COLLAMA COMUNA SALCEDO

3 TURUBAMBA 43 ACOSA 84 PILALO-SAN ANDRES

4 CIUD. MANUELA SAENZ 44 ACOSA 85 HCDA. LA HERRADURA

5 CIUD. SANTIAGO ROLDOS 45 ACOSA -LASSO 86 PISCINA NAGSICHE

6 I.N.I.A.P. 46 SAN FCO. DEL CHASQUI 87 PANZALEO

7 CIUD, LA JOYA 47 HCDA. SAN JOSE 88 SANTA LUCIA

8 SANTA ROSA 48 HCDA. SAN RAFAEL 89 SANTA LUCIA

9 TAMBILLO 49 HCDA. SAN RAFAEL 90 MULALILLO

10 COL. DE TAMBILLO 50 LASSO 91 CUNCHIBAMBA

11 TAMBILLO VIEJO 51 LASSO 92 CUNCHIBAMBA

12 MIRAFLORES 52 LA CIENEGA 93 RECINTO SAN JOSE

13 MIRAFLORES 53 SAN LUIS DE LIPUA 94 RECINTO SAN PABLO

14 HCDA. HUASIPUNGO 54 HCDA. SANTA ELSA 95 CUNCHIBAMBA SAN JOSE

15 LA ADUANA 55 LA AVELINA 96 CONCHIBAMBA MOROCHO

16 ALOAG 56 LA AVELINA 97 CUNCHIBAMBA SAN FRANCISCO

17 ALOAG 57 LA AVELINA 98 SAMANGA BAJO

18 F.M. ATAHUALPA 58 GUAYTACAMA 99 SAMANGA BAJO

19 F.M. ATAHUALPA 59 GUAYTACAMA 100 SAMANGA ALTO

20 HCDA. EL RANCHO 60 GUAYTACAMA 101 SAMANGA ALTO

21 MACHACHI 61 HCDA. NINTANGA GRANDE 102 SAMANGA ALTO ATAHUALPA

22 MACHACHI-EL TAMBO 62 HCDA. NINTINGA CHICO 103 ATAHUALPA

23 ALOAG 63 HCDA. RUMIPAMBA CUARTEL MILITAR 104 ATAHUALPA

24 HCDA. STA. ELENA 64 HCDA. RUMIPAMBA CUARTEL MILITAR 105 LA VICTORIA AMBATO

25 HCDA. STA ELENA 65 HCDA. LA CALERA 106 PENINSULA

26 HCDA. STA. ELENA 66 HCDA. LA CALERA 107 PENINSULA

27 HCDA. SAN IGNACIO 67 HCDA. LA CALERA 108 PISHILATA

28 HCDA. LA MARIA 68 CAMP. LATACUNGA 109 HUACHI LORETO

29 HCDA. ROMERILLO 69 COL. LATACUNGA 110 TERMINAL AMBATO

30 HCDA. ROMERILLO-ESTACION 70 CIUD. MALDONADO

31 CULTEX 71 CIUD. BANCO DE LA VIVIENDA

32 CULTEX 72 LATACUNGA

33 CULTEX 73 CIUD. VASCONEZ CUBI

34 CULTEX 74 HCDA. MONICA

35 CULTEX 75 HCDA. MONICA

36 CULTEX 76 CARRETERO CUTUCHI

37 CULTEX 77 CARRETERO CUTUCHI

38 CULTEX 78 HCDA. SALACHI

39 ACOSA 79 RIO SALACHI

80 SALACHI BARBASPAMBA

6

Fig

ura

1.2.

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os

[ 1.

1]

7

La ubicación de sensores se realizará en base a un estudio de campo previo (Ver

Anexo 1), en el que se determinarán los puntos más vulnerables a roturas y

robos, tomando en cuenta que gran parte de tramos del poliducto se encuentran

bajo tierra y que según información del Cuerpo de Ingenieros del Ejército

(encargados del patrullaje del poliducto) son tramos que también representan

riesgo, sobre todo, en lo que a robos se refiere. Las fotografías a continuación

(Foto1.2) muestran perforaciones realizadas en la tubería que está debajo de

viviendas. Más fotografías Ver Anexo 2.

Foto 1.2. Perforaciones clandestinas para robo de d erivados [ 1.2]

Para la transmisión de datos obtenidos de los sensores, se corroborará la

cobertura y nivel de señal de las operadoras de telefonía celular, así como, la

disponibilidad de los servicios de SMS y GPRS, a lo largo del trayecto

comprendido entre Quito y Ambato.

El presente diseño permitirá:

• Monitoreo a tiempo real.

• Tratamiento digital.

o Puntos de medición en tiempo real.

8

o Presentación de información en pantallas.

o Tratamiento de colapsos significativos.

o Detección y localización de orificios.

o Manejo de alertas y alarmas.

• Tratamiento de datos obtenidos, en base a nodos de información

(Estaciones de Monitoreo)

1.4 POLIDUCTO QUITO – AMBATO

El transporte de derivados que se realiza a través del Poliducto Quito - Ambato,

se coordina con la distribución y el almacenamiento en cada terminal, con una

adecuada programación para cumplir los requerimientos de despacho de

combustibles de acuerdo a las zonas de influencia de cada terminal en el país.

El poliducto Quito - Ambato se encuentra operado desde las estaciones

mostradas en la Tabla 1.2:

Estación de Bombeo Ubicación Altura (m) Distancia (km)

El Beaterio, Estación Reductora y Terminal de Almacenamiento y Despacho

Quito 2950 0

Estación de Control Latacunga 2100 68

Estación Reductora de Ambato y Terminal de Almacenamiento y Despacho

Ambato 2760 111

Tabla 1.2. Estaciones del Poliducto Quito-Ambato

El poliducto Quito – Ambato tiene una longitud aproximada de 111 Km. La ruta es

generalmente paralela a la Vía Panamericana Sur.

La altura máxima que alcanza el poliducto es en el lugar conocido como San

Juan, con una altura aproximada de 3755 mts sobre el nivel del mar, como se

muestra en la Figura 1.2. Este sitio se encuentra a 20 Km de El Beaterio en las

faldas del monte Atacazo, razón por la cual las estaciones de Latacunga y

9

Ambato son reductoras de presión. En la Foto 1.3 se muestran las válvulas

reductoras de presión que están ubicadas en varios sitios a lo largo del tramo del

poliducto Quito – Ambato.

Foto 1.3. Válvulas reductoras de presión.

La tubería del poliducto tiene un diámetro nominal de 6 pulgadas y transporta

gasolina súper y extra, diesel y destilado 1 hacia los terminales del sistema. En la

Foto 1.4. se observa una sección de tubería del poliducto la misma que se utilizó

para realizar pruebas de laboratorio, específicamente de medición de vibraciones.

Foto 1.4. Sección de tubería de poliducto.

El bombeo de estos productos, sigue una secuencia que no se altera por ningún

motivo: Gasolina Súper – Gasolina Extra – Diesel – Gasolina Extra – Gasolina

10

Súper. La separación entre cada producto bombeado se la realiza a través de

separadores mecánicos (esferas de acero). Además, se colocan colorantes a la

cabeza de cada columna de producto para efectos de una mejor identificación de

los derivados.

Gasolina (bls)

Súper Extra

Diesel 1 (bls)

Diesel 2 (bls)

Total Poliducto (bls)

Enero 20,137 112,341 304 106,426 239,208

Febrero 22,486 98,772 291 114,858 236,406

Marzo 16,048 106,676 284 103,642 226,651

Abril 20,647 114,218 237 122,247 257,350

Mayo 14,916 93,525 278 125,572 234,290

Junio 16,848 87,726 207 134,911 239,692

Julio 25,567 121,042 240 102,067 248,916

Agosto 17,339 111,177 381 146,074 274,971

Septiembre 16,324 90,920 182 102,367 209,792

Octubre 21,659 125,741 304 123,934 271,639

Noviembre 18,089 110,961 290 126,954 256,294

Diciembre 24,219 92,688 225 147,346 264,479

Total 234,280 1,265,788 3,222 1,456,397 2,959,688

Tabla 1.3. Volumen de Combustible transportado por el Poliducto Quito-

Ambato. Año 2005 [ 1.3]

La capacidad actual de bombeo del poliducto es de 12000 bls/día teniendo la

posibilidad de incrementarla a medida que aumenten sus necesidades. En la

Tabla 1.3 se detallan los valores de despacho mensuales del año 2005.

1.5 ANÁLISIS PARA ELECCIÓN DE VARIABLES A SENSAR

Para la elección de variables a sensar se tomaron en cuenta varios aspectos

importantes, entre éstos se encuentran las asistencias a cortes de las tuberías del

poliducto, las mismas que tuvieron lugar en la ciudad de Ambato, allí se procedió

11

a instalar válvulas de bloqueo, para evitar derrames, ya que debido a las

crecientes esporádicas del Río Ambato, la integridad de la tubería se ha visto

afectada, lo que también pone en riesgo a la población aledaña al sector.

De esta manera se determinó que cuando a la tubería se le realiza un corte o

perforación se producen fuertes vibraciones, debido a la presión interna con que

se bombea los derivados de petróleo. De esta manera se determinó que una de

las variables a sensar debía ser Vibración. (Ver Foto 1.5)

Para el mismo caso, antes de realizar los cortes a la tubería se procedió al

desalojo de combustible que se encontraba en una sección de tubería de 1 Km de

longitud, para esto se realizó una perforación y la instalación de una manguera

que se utilizó para llenar tanqueros de 10000 galones de capacidad,

procedimiento que permitió observar la caída de presión entre dos puntos

adyacentes a la perforación de desfogue de combustible, además, se pudo

corroborar que en la base de la unión entre la manguera y el tubo del poliducto se

produjo una caída de temperatura, con lo cual se determinó que la presión

acompañada de una variación de temperatura juegan un papel muy importante en

la detección de fugas en un tramo de tubería.

Foto 1.5. Cortes y perforación de la tubería del po liducto

12

1.6 IMPORTANCIA ECONÓMICO – SOCIAL Y APLICACIÓN DE

LOS RESULTADOS

La importancia económico – social de este proyecto se basa en:

� Petroecuador podría ahorrar entre 60 a 80 millones de dólares anuales al

impedir el robo de gasolina y diesel.

� Detectar con precisión la localización de una fuga en forma inmediata y

automática.

� Contribuir a atenuar, en lo posible, el daño al medio ambiente.

� Ahorrar recursos económicos que Petroecuador debería invertir para

reparar el poliducto, reparar el daño ambiental y social.

� Mejorará la imagen de Petroecuador ante la sociedad ecuatoriana y

mundial.

� Aportar al país con una genuina transferencia, adaptación y desarrollo

tecnológico.

� Garantizar la capacidad de resolver a futuro los problemas de

mantenimiento u optimización del sistema sin recurrir a tecnología y mano

de obra extranjera ahorrando ingentes sumas de dinero al País

13

CAPÍTULO 2

ANÁLISIS DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TRANSMISIÓN DE DATOS SOBRE GSM. En este capítulo se hace una descripción de la Tecnología GSM para la

transmisión de datos, utilizando SMS o GPRS, tratando de enfocar el estudio

hacia la determinación de sus ventajas y desventajas para el propósito de este

trabajo.

2.1 GENERALIDADES [2.1]

2.1.1 DEFINICIÓN DE GSM

El sistema GSM[1], anteriormente conocido como "Group Special Mobile",

considerado un sistema de segunda generación, es un estándar mundial abierto,

no propietario y evolutivo, para teléfonos móviles digitales. El estándar fue creado

por la CEPT y posteriormente desarrollado por ETSI como un estándar para los

teléfonos móviles europeos.

GSM es un sistema de comunicación que se basa en el uso de celdas digitales.

Se desarrolló para crear un sistema para móviles y que fuese compatible con los

servicios existentes y futuros sobre ISDN[2].

GSM digitaliza y comprime los datos con información del usuario y los envía a

través de un canal, cada uno de ellos en su propia ranura de tiempo. Funciona en

[1] Global System for Mobile Communications.

[2] Integrated Services Digital Network traducido como RDSI (Red Digital de Servicios Integrados), es

una red que procede por evolución de la Red Digital Integrada (RDI) y que facilita conexiones digitales extremo a extremo para proporcionar una amplia gama de servicios y a la que los usuarios acceden a través de un conjunto de interfaces normalizado.

14

bandas de frecuencia de 900 MHz o de 1800 MHZ conocida como DCS[3].

Actualmente hay operadoras que poseen redes en ambas frecuencias. También

existen redes de 1900 MHz y la más reciente de 850MHz.

GSM digitaliza y comprime los datos con información del usuario y los envía a

través de un canal, cada uno de ellos en su propia ranura de tiempo. Funciona en

bandas de frecuencia de 900 MHz o de 1800 MHZ conocida como DCS[3].

Actualmente hay operadoras que poseen redes en ambas frecuencias. También

existen redes de 1900 MHz y la más reciente de 850MHz.

La tecnología GSM ofrece movilidad internacional, y una gran variedad de

servicios como: telefonía, transferencia de datos, fax, mensajes cortos de texto

de hasta 160 caracteres, permite una tasa de transferencia de 9.6 kbps y se

acerca a los requerimientos de un sistema de comunicaciones personales.

2.1.2 BANDAS DE FRECUENCIAS PARA GSM

GSM en Europa usa la banda de 900 MHz. Se ha separado también la banda de

1800 MHz y se la conoce como DCS-1800. La diferencia principal es la banda de

frecuencia utilizada. La Tabla 2.1 muestra las bandas de frecuencia GSM.

Band Uplink (MHz) Downlink (MHz)

GSM 900 (Primario) 890 – 915 935 – 960

GSM 900 (Extendido) 880 – 915 925 – 960

GSM 1800 1710 – 1785 1805 – 1880

GSM 1900 (América del Norte) 1850 – 1910 1930 – 1990

GSM 850 (América del Norte) 824 – 849 869 – 894

GSM – R 876 – 915 921 – 960

Tabla 2.1 Bandas de Frecuencia GSM [2.1]

[3] Digital Cellular System: Sistema Digital de transmisión y recepción, aceptado para operar en la banda de 1800 MHz.

15

GSM en el Continente Americano usa la banda PCS y se lo conoce como PCS-

1900.

2.1.3 VENTAJAS Y BENEFICIOS DE GSM

Las ventajas de GSM pueden dividirse en dos categorías principales: beneficios al

usuario y beneficios al operador.

Los principales beneficios al usuario incluyen:

• Cobertura: GSM es una tecnología inalámbrica disponible en todo el mundo.

Como resultado de ello, los clientes GSM tienen acceso constante a servicios de

voz de alta calidad y servicios en su región de residencia y en otras regiones.

• Selección: La cantidad de clientes GSM da lugar a un mercado de gran

envergadura, requiere grandes volúmenes de terminales, lo que se traduce en

una amplia selección de dispositivos con diversas funciones y precios. Los

dispositivos de bajo costo hacen que las redes de datos basadas en GSM, tales

como las GPRS, resulten atractivas para otros proveedores de servicios (por

ejemplo, telemetría)

• Calidad de voz: GSM provee claridad de voz y menos interferencia en las

llamadas.

• Flexibilidad: Gracias a la tarjeta SIM[4], los clientes pueden cambiar de

dispositivo GSM fácilmente sin la molestia de tener que configurar el nuevo

dispositivo ni la pérdida de servicios de suscripción personalizados tales como

mensajería, además permite al usuario cambiar de operador GSM y mantener el

mismo teléfono. La flexibilidad de la tarjeta SIM hace que las redes de datos

[4] Módulo de Identidad del Abonado: es una tarjeta inteligente desmontable usada en teléfonos móviles

que almacena de forma segura la clave de servicio del suscriptor usada para identificarse ante la red, de

forma que sea posible cambiar la línea de un terminal a otro simplemente cambiando la tarjeta.

16

basadas en GSM, tales como las GPRS, sean atractivas para diversas

aplicaciones de datos (por ejemplo, telemetría).

• Servicios innovadores: GSM fue la tecnología pionera para muchos de los

servicios más populares del mundo. Un ejemplo saliente es el SMS[5], que soporta

mensajes de texto. Resulta igualmente importante la capacidad de roaming de

GSM que permite que los usuarios accedan a sus servicios predilectos mientras

se encuentran de viaje.

Los principales beneficios al operador incluyen:

• Economías de escala: GSM es la tecnología inalámbrica que se encuentra

disponible en más de 210 países y territorios del mundo. Más de dos mil millones

de clientes en toda América, Asia y Europa, o más del 75% de los clientes

inalámbricos del mundo, utilizan GSM. Un mercado de esta envergadura, como ya

se mencionó, requiere grandes volúmenes de terminales e infraestructura, lo que

atrae a los proveedores y desarrolladores de aplicaciones al tiempo que reduce

los costos. Con costos generales inferiores, los operadores GSM a su vez pueden

fijar precios más competitivos para sus servicios.

• Cobertura: Los operadores GSM hacen hincapié en el hecho de que los

clientes tengan acceso constante a servicios de voz de alta calidad y servicios

optimizados en su lugar de residencia y durante sus viajes.

• Flexibilidad: La infraestructura y los dispositivos GSM están disponibles para

las bandas de espectro más populares, entre ellas las de 850 y 1900 MHz, lo que

presenta múltiples opciones de despliegue para los operadores a fin de satisfacer

sus necesidades de espectro y de mercado.

[5] Servicio de Mensajes Cortos: es un servicio disponible en los teléfonos móviles que permite el envío de

mensajes cortos (también conocidos como mensajes de texto) entre teléfonos móviles.

17

• Capacidad de actualizarse: GSM es el primer paso de una migración fluida,

flexible y costo-efectiva a 3G.

• Eficiencia: GSM utiliza el espectro de manera eficiente y provee siete veces

mayor capacidad que la tecnología EDGE[6], proveen un incremento adicional de

casi tres veces más llamadas de voz simultáneas que la tecnología GSM básica.

2.1.4 VELOCIDADES Y ANCHO DE BANDA, RADIO DE LA CEL DA

En GSM se usan canales de 200 kHz de ancho de banda, con bandas de 25Mhz

se tienen 125 canales, cada uno compartido usando TDMA[7] con 8 ranuras de

tiempo, dando un total de 1000 canales. Considerando dos bandas de guarda de

100 kHz, se tienen solo 124 canales.

El ritmo o velocidad de transmisión en GSM es de 270.833 kbps.

Por usuario es 270.833/8=33.854 kbps.

Considerando el overhead, los datos del usuario se transmiten a 22.8 kbps.

El radio de la celda está entre 100 m y 35 km dependiendo de la situación.

[6] Enhanced Data rates for GSM of Evolution: Es una tecnología de telefonía móvil celular, que actúa

como puente entre las redes 2G y 3G. Se considera una evolución del GPRS (General Packet Radio

Service). Esta tecnología funciona con redes TDMA y su mejora, GSM.

[7] Time Division Multiple Access: Tecnología que distribuye las unidades de información en ranuras

("slots") alternas de tiempo, proveyendo acceso múltiple en un reducido número de frecuencias. Es una

tecnología inalámbrica de segunda generación que brinda servicios de alta calidad de voz y datos.

18

2.2 ARQUITECTURA DE LA RED GSM [2.2]

El sistema consiste en una red de radio-celdas contiguas para cubrir una

determinada área de servicio. Cada celda tiene una BTS[8] que opera con un

conjunto de canales diferente de los utilizados por las celdas adyacentes.

Un determinado conjunto de BTSs es controlado por una BSC[9]. Un grupo de

BSCs es a su vez controlado por una MSC[10] que enruta llamadas hacia y desde

redes externas públicas o privadas por ejemplo la RDSI o PSTN.

La Figura 2.1 representa la arquitectura de una red GSM.

SIM

ME

BTS

BTS

BSC

BSC

HLR

EIR

VLR

AuC

MSCPSTN ISDN

PSPDN

Um Abis A

Móvil Subsistema de estación base Subsistema de red

SIM: Módulo Identificador de Cliente.

MSC: Centro de Conmutación de Móviles.

HLR: Registro de Localización de Clientes.

BTS: Transmisor de Estación Base.

AuC: Centro de Autentificación.

BSC: Controlador de Estación Base

VLR: Registro de Identificación de Visitantes

ME: Equipo Móvil

EIR: Registro de Identificación de Móviles

Figura 2.1. Arquitectura de una Red GSM [2.2]

[8] Base Transceiver Station: Se encarga de proporcionar, vía radio, la conectividad entre la red y las

estaciones móviles.

[9] Base Station Controller: Se encarga de todas las funciones centrales y de control del subsistema de

estaciones base (BSS:Base Station Subsystem) que está constituido por el BSC y las BTSs.

[10] Mobile Switching Centre: Se encarga de conmutar el tráfico de llamadas entrantes y salientes, y de la

asignación de canales de usuario en la interfaz entre el MSC y las BSC.

19

• Equipo Móvil

La estación móvil consta del equipo móvil (terminal) y la smart card SIM, la

misma que permite la movilidad. Así el usuario con dicha tarjeta puede

acceder a la red desde cualquier terminal. La tarjeta SIM se protege contra

uso no autorizado mediante el uso de password o número de identificación

personal. El terminal se identifica de forma inequívoca mediante el IMEI[11].

• Base Transceiver Station (BTS)

La función principal de una BTS es proporcionar un número de canales de

radio a la zona a la que da servicio. Una BTS con un transceptor y con

codificación "full rate" proporciona 8 canales en el enlace radio, uno de los

cuales se utiliza para señalización. Con una codificación "half rate" el número

de canales disponibles se duplica.

• Base Station Controller (BSC)

La función primaria de una BSC es el mantenimiento de la llamada, así como

la adaptación de la velocidad del enlace radio al estándar de 64 Kbit/s utilizado

por la red. El procedimiento de ‘handover’ permite que la llamada se mantenga

en curso sin que se produzcan interrupciones importantes, esto debido a que

al ser usuario móvil, éste puede estar cambiando con más o menos frecuencia

de celda. En GSM, durante una llamada, la estación móvil está continuamente

"escuchando" a una serie de estaciones base así como informando a la BSC

de la calidad de la señal con que está trabajando. Esto permite a la BSC tomar

la decisión de cuándo iniciar un ‘handover’ y a qué celda. La BSC controla a su

vez la potencia de trabajo de la estación móvil para minimizar la interferencia

producida a otros usuarios y aumentar la duración de la batería.

[11] International Mobile Equipment Identity: es un código pre-grabado en los teléfonos móviles GSM, el

mismo que identifica al aparato unívocamente a nivel mundial, y es transmitido por el aparato a la red al

conectarse a ésta.

20

• Mobile Switching Centre (MSC)

La MSC es el corazón del sistema GSM. Es el centro de control de llamadas,

responsable del establecimiento, conmutación y terminación de cualquier

llamada, controla los servicios suplementarios y el handover entre MSCs,

además recoge información necesaria para realizar la tarificación. También

actúa de interfaz entre la red GSM y cualquier otra red pública o privada de

telefonía o datos.

• Home Location Register (HLR)

El HLR contiene información de estado (nivel de suscripción, servicios

suplementarios, etc.) de cada usuario asignado al mismo, así como

información sobre la posible área visitada, a efectos de enrutar llamadas

destinadas al mismo (terminadas en el móvil).

• Visitor Location Register (VLR)

El VLR contiene información de estado de todos los usuarios que en un

momento dado están registrados dentro de su zona de influencia. Esta

información ha sido requerida y obtenida a partir de los datos contenidos en el

HLR del que depende el usuario. Contiene información sobre si el usuario está

o no activo, a efectos de evitar retardos y consumo de recursos innecesarios

cuando la estación móvil esta apagada.

• AuC (Autentication Center)

Es un elemento que contiene las claves y algoritmos de verificación para el

acceso de un usuario a una red de telefonía celular. El centro de autenticación

se usa para llevar a cabo la autenticación. La tarjeta SIM es usada por los

móviles y contiene una llave especial. Una copia de esta llave se almacena en

el AuC.

21

2.2.1 IDENTIFICADORES

Los identificadores pueden estar asociados a:

• La tarjeta SIM

• La red (BTS)

• Estación móvil

En la Figura 2.2 se detallan las Identidades o Identificadores en GSM.

El HLR y el VLR junto con el MSC proporcionan la ruta o camino de la llamada

(routing) y la capacidad de roaming (seguimiento de la llamada) del GSM.

IMEI

IMSI

PIN

ISDN

VLR HLR AuC

TMSI

Kc

Ki

TMSI

Kc

Ki

MSC

Figura 2.2. Identidades en GSM [2.2]

El HLR contiene toda la información administrativa de cada cliente registrado en la

red GSM con la actual localización del móvil. Hay un HLR por cada red GSM,

aunque puede estar implementado en una base de datos distribuida.

El VLR contiene la información del HLR necesaria para el control y ejecución de

los servicios contratados para cada móvil situado en el área geográfica controlada

22

por el VLR. El área geográfica controlada por el MSC corresponde a la controlada

por el VLR y viceversa.

Los otros dos registros se utilizan para autenticación y seguridad.

El EIR es una base de datos que contiene una lista de los equipos móviles

válidos en la red en donde cada estación móvil se identifica con su IMEI.

El AuC es una base de datos protegida que almacena una copia de la clave

secreta almacenada en cada tarjeta SIM y que se utiliza para la autenticación y

encriptado de la señal en el canal de radio.

Cada usuario posee un número personal denominado IMSI[12], de ámbito

internacional. De esta clave secreta una copia se almacena en la tarjeta SIM y

otra en el AuC. El usuario también se identifica, para el resto de los que le llaman,

por su número de directorio RDSI.

El IMEI es un número de identificación grabado internamente por el fabricante.

Este número puede ser solicitado por la red para comprobar si no se encuentra en

una lista de equipos robados o con mal funcionamiento.

Cuando un móvil se mueve por un área controlada por un VLR, en éste se le

asigna un número temporal TMSI[13]. En el HLR y en el VLR se memorizan las

claves Ki y Kc que sirven para autenticar y cifrar. En la tarjeta también se graba la

identidad del última área de localización visitada.

En el centro de autenticación AuC que puede estar en el mismo lugar que el HLR

se generan y almacenan por cada IMSI una serie de respuestas y llaves de

cifrado.

[12] International Mobile Subscriber Identity: Es un código de identificación único para cada dispositivo de

telefonía móvil, integrado en la tarjeta SIM, que permite su identificación a través de las redes GSM.

[13] Temporal Mobile Subscriber Identity (TMSI): Asignación temporal del IMSI.

23

2.2.2 AUTENTICACIÓN

La actualización de localización se realiza cuando un móvil entra en una celda

perteneciente a un área diferente de la última visitada, como se indica en la Figura

2.3 se envía al nuevo VLR una petición de actualización, en donde incluye su

último TMSI y la identidad de la última área visitada.

Petición de

actualización de

localización TMSI

Petición de autentificación

Serie aleatoria

Serie respuesta

Comienzo de cifrado

Dos cifrados

Figura 2.3. Autentificación y Cifrado [2.2]

Este VLR le pide al antiguo una serie de datos de móvil, y éste le contesta

enviando el IMSI y la clave Kc.

El nuevo VLR le envía al móvil una petición de autenticación junto con una serie

aleatoria.

Este proceso implica a dos entidades funcionales: la tarjeta SIM del móvil y el

Centro de Autenticación (AuC). Durante la autenticación, el AuC genera un

número aleatorio que envía al móvil. El móvil y el AuC junto con la clave secreta

Ki y un algoritmo de cifrado denominado A3 genera una señal de respuesta SRES

que se envía de vuelta al AuC. Si el número enviado por el móvil es el mismo que

el calculado por el AuC el móvil se considera autentificado.

24

En el caso que el móvil entre en la red por primera vez (no hay VLR antiguo),

envía al actual VLR su IMSI en la petición de actualización.

2.2.3 INTERFACES GSM

Tráfico usuario

Protocolo Señalización

A MSC - BSC

Permite el intercambio de información sobre la gestión del subsistema BSS[14], de las llamadas y de la movilidad. A través de ella, se negocian los circuitos que serán utilizados entre el BSS y el MSC.

SI SS7

Abis BSC - BTS Permite el control del equipo de radio, SI LAPD

BVLR - MSC asociados

VLR es la base de datos que contiene toda la información que permite ofrecer el servicio a los clientes que se encuentran en el área de influencia de sus MSC asociados. Por lo tanto, cuando un MSC necesite proporcionar información sobre un móvil acudirá a su VLR. Esta interfaz NO debe ser externa (por desempeño, por el volumen de información intercambiado).

NO MAP/B

D HLR - HLR

Permite intercambiar información entre ambas bases de datos, esta información se encuentra relacionada con la posición del móvil y la gestión del servicio contratado por el usuario.

NO MAP/D

E MSC - MSC

Permite intercambiar la información necesaria para iniciar y realizar un intercambio Inter - MSC cuando el movil cambia de área de influencia de un MSC a otro.

SI MAP/E, RDSI,

ISUP

F MSC - EIRUtilizada cuando el MSC desea comprobar el IMEI de un equipo.

NO

G VLR - VLRUtilizada para permitir la interconexión entre dos VLRs de diferentes MSCs.

NO MAP/G

H MSC-SMS-G SI MAP/H

I MSC - MSPermite el intercambio transparente de datos entre el MSC y el MS a través del BSS.

Um BSS - MEEs la interfaz de radio, se encuentra entre la estación móvil y el BSS.

Voz: 13 Kbps Datos: 9,6 Kbps LAPDm

Interfaz Situada entreIntercambio de Información

Descripción

Tabla 2.2 Interfaces GSM [2.3]

25

2.3 ENLACE DE RADIO

La UIT (International Telecommunication Union), que maneja la localización de los

canales de radio le ha dado las siguientes frecuencias al GSM en Europa:

- UPLINK (de móvil a Estación Base): 890-915 MHz.

- DOWNLINK (de Estación Base a Móvil): 935-960 MHz.

Las principales características del GSM son:

- Tipo de servicio: telefonía celular pública.

- El acceso al medio se realiza mediante TDMA/FDM , esto es acceso por

división el tiempo.

- Tiene 124 canales, y cada canal puede dar servicio a 8 o 16 usuarios a la

vez.

- Ancho de banda del canal 200 kHz.

- La modulación empleada es GMSK.

- La velocidad máxima del canal de radio es 270.833 kbps

- Duración de un bit de 3,692 msec.

- La longitud de una trama es de 4,615 msec, y la longitud de un slot de tiempo

0,577 msec.

- Codificación de la voz: RELP-LTP 13 kbps

- Potencia de salida de 20 mW a 20W.

- La especificación es la GSM Standard.

Dado que el canal de radio es un recurso limitado debe ser compartido por tantos

usuarios como sea posible. El método elegido por GSM es una combinación

TDMA / FDMA [15].

[14] Subsistema de la Estación Base: Está en contacto directo con las estaciones móviles a través de la interfaz de radio, cumple la función de conecta al usuario del móvil con otros usuarios.

[15] Frequency Division Multiple Access: Una de sus particularidades es que la separación del espectro se realiza en distintos canales de voz, separando el ancho de banda según la frecuencia, en divisiones uniformes. Se usa para transmisiones analógicas.

26

FDMA implica la división en frecuencia. Se divide la banda asignada en 124

frecuencias de portadora con un ancho de banda de 25 MHz y separadas 200

kHz. Cada una de estas frecuencias es entonces dividida en tiempo utilizando el

TDMA (Figura 2.4).

Time Slot

0

Time Slot 2

Time Slot 1

Figura 2.4. Ejemplo de Utilización de TDMA [2.2]

La unidad de tiempo en este esquema TDMA se denomina canal y es de 15/26ms

(0.577 ms). Se agrupan ocho canales en una trama TDMA que forma la unidad

básica para la definición de los canales lógicos.

De todas las frecuencias asignadas a una BTS (fo...fn) , la fo se denomina

frecuencia piloto de la celda y se dedica obligatoriamente durante el slot de

tiempo cero a la emisión y recepción de canales de control. En cada frecuencia

asignada a un celda hay 8 canales, numerados del 0 al 7. El canal 0 de fo se

denomina canal piloto o canal de control. El resto de las frecuencias y los canales

1 al 7 de fo se denominan canales de tráfico (Figura 2.5).

La BSC es asignada para un determinado móvil en una conexión, una frecuencia

y un slot de tiempo. Los sucesivos envíos de bits que cada móvil hace o escucha

en su tiempo de trama TDMA constituyen su canal, definido por tanto por la

frecuencia y el slot de tiempo.

27

Figura 2.5. Canales GSM [2.4]

Para separar un canal de otro la portadora sube su nivel de energía de forma

progresiva (ramp up), emite, y baja su nivel de tensión progresivamente (ramp

down). Estos tiempos de subida y bajada en rampa que separan un canal de otro

se denominan tiempos de guarda y equivalen a los tiempos de transmisión de

8,25 bits.

2.3.1 CANALES DE TRÁFICO

Un canal de tráfico se utiliza para voz y datos. Los canales de tráfico se definen

usando una multitrama de 26 tramas (grupo de 26 tramas TDMA). La longitud de

una multitrama es 120 ms. De las 26 tramas, 24 se usan para tráfico, 2 para el

SACCH[16]. Ver Figura 2.6.

Cada canal de tráfico transporta 156,25 bits cada 0,577 ms de una comunicación.

Estos bits son usados para una comunicación de voz o de datos previos procesos

de codificación de voz, de canal y entrelazado en un caso, o de bloque, de canal y

entrelazado en otro.

[16] Slow Associated Control Channel: transmite información dedicada al mantenimiento del enlace. Se

utiliza siempre asociado a un canal de tráfico.

28

0

0 1 2 3 4 5 6 7

Tramas 0-11, 13-24: canales de tráfico

Número de time slot

4.62ms

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Tramas 12 y 25: canales asociados de control

120ms

Figura 2.6. Canales de Tráfico [2.1]

Los canales de control se organizan en multitramas de 26 tramas (cada trama

tiene 8 canales) que a su vez forman conjuntos de 51 supertramas (Figura 2.7).

A partir de aquí se forman hipertramas con 2048 supertramas.

Los canales de tráfico pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario.

Operación full rate: Se transportan los datos de usuario en una ranura en cada

trama.

Operación half rate: Se transportan los datos de usuario en una ranura en tramas

alternadas.

2.3.1.1 Canales Full Rate

Speech Channel (Full Rate Speech , FS): Llevan voz digitalizada a una tasa de

alrededor de 13 kbps. Con codificación de canal añadida se transporta por el

canal a 22.8 kbps.

29

Figura 2.7. Estructura de una Hipertrama [2.1]

Data Channel for 9600 bps (F9.6): Lleva datos de usuario a una tasa de 9600

bps. Con FEC añadida, los 9600 bps se transportan a 22.8 kbps.

Data Channel for 4800 bps (F4.8): Lleva datos de usuario a una tasa de 4800

bps. Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 22.8 kbps.

30

Data Channel for 2400 bps (F2.4): Lleva datos de usuario a una tasa de 2400

bps. Con FEC añadida, los 2400 bps se transportan a 22.8 kbps.

2.3.1.2 Canales Half Rate

Speech Channel (Half Rate Speech , HS): Llevan voz digitalizada que es

muestreada a una tasa que es la mitad de lo que se usa en el caso full rate. Con

codificación de canal añadida se transporta a 11.4 kbps.

Data Channel for 4800 bps (H4.8): Lleva datos de usuario a una tasa de 4800

bps. Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 11.4 kbps.

Data Channel for 2400 bps (H2.4): Lleva datos de usuario a una tasa de 2400

bps. Con FEC añadida, los 2400 bps se transportan a 11.4 kbps.

2.3.2 CANALES DE CONTROL

Se utilizan únicamente para radiar o recibir información general hacia o desde

todos los móviles situados en la celda pero no se utilizan para transmitir voz. Esta

información se utiliza para el control y el manejo de las comunicaciones, como

peticiones de servicio o respuestas a llamadas.

Se organizan en multitramas de 51 tramas (cada trama tiene 8 canales) que a su

vez forman conjuntos de 26 supertramas. A partir de aquí se forman hypertramas

con 2048 supertramas.

Existen tres conjuntos de canales de control tal como se muestra en la Figura 2.8:

• BCHs (Broadcast Channels): FCCH, SCH, BCCH

• Canales de Control Comunes: PCH, AGCH, RACH

• Canales de Control Dedicados (DCCH): SDCCH, SACCH, FACCH

31

Figura 2.8 Canales de Control [2.1]

2.3.2.1 BCHS (Broadcast Channels): FCCH, SCH, BCCH

FCCH (Frequency Correction Channel ): Canal de corrección de frecuencia (de

BSS a todas las MS[17]). El FCCH permite a cada estación móvil sincronizar su

frecuencia interna de oscilación a la frecuencia exacta de la estación base.

SCH (Synchronization Channel ): Canal de sincronización (de BSS a todas las

MS). En este canal se incluyen datos, como el número de trama, y se usa para

identificar a la estación base servidora mientras que permite a cada móvil la

sincronización de las tramas con la estación base.

BCCH (Broadcast Control Channel ): Canal de control de difusión (de BSS a

todas las MS). Entre la información que se envía por este canal se incluyen las

identidades de la red, la celda y el área, las frecuencias utilizadas en la celda, el

mínimo nivel de recepción y la máxima potencia a utilizar.

[17] Estación Móvil: Consta del equipo móvil

32

Permite a la estación móvil "orientarse" en el entorno del sistema.

2.3.2.2 Canales de Control Común.

Son comunes a todos los usuarios y van dirigidos a un móvil concreto.

PCH (Paging Channel): Canal de búsqueda (de 1 MS al BSS). Se transmite

desde la base hasta el móvil e informa a la estación móvil de una llamada

destinada a la misma.

AGCH (Access Grant Channel): Canal de acceso aleatorio (de BSS a 1 MS). Se

transmite en el sentido base-móvil y utilizado para la asignación de recursos al

móvil que previamente solicitó el establecimiento de la comunicación y tras el

proceso de autentificación.

RACH (Random Access Channel ): Canal de acceso aleatorio (de BSS a 1 MS).

Lo de “random” se refiere a que todas las ranuras reversas del canal de control

son elegibles para ser un RACH. Transmite en el sentido móvil-base las

peticiones de la estación móvil no programadas de antemano en el sistema, por

ejemplo para el registro o establecimiento de la llamada. Se utiliza el protocolo

"ALOHA" Ranurado [18].

2.3.2.3 Canales de Control Dedicados.

Canal asignado a un móvil en un momento.

[18] ALOHA Ranurado: Para mejorar las prestaciones de Aloha se definió Aloha ranurado (slotted), con el

mismo funcionamiento que Aloha, y con la única diferencia de que las estaciones sólo pueden

transmitir en unos determinados instantes de tiempo o slots. De esta manera se disminuye el periodo

vulnerable a t. Este sincronismo hace que cuando un terminal quiera transmitir debe esperar al inicio

del nuevo periodo para hacerlo.

33

SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel ): Canal dedicado de control

independiente de dos direcciones (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). Consiste de

4 ranuras de tiempo en cada multitrama llevando un mensaje. Velocidades bajas

de transmisión efectiva pero suficiente para la información que necesita enviarse.

SACCH (Slow Associated Control Channel ): Canal dedicado de control

lentamente asociado (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). En la dirección forward

transporta: Mensajes de broadcast, información de control de potencia, avances

de Temporización Específicos. En la dirección reversa transporta: Mensajes con

reportes de mediciones realizadas, acuses de recibo de mensajes de control de

potencia.

FACCH (Fast Associated Control Channel ): Canal dedicado de control

rápidamente asociado (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). Se dispersa en 8

ranuras de tiempo en 8 tramas, se “roba” la mitad de los bits del canal de tráfico.

Se usa para transmitir órdenes urgentes como una orden de hand-off.

2.3.3 CODIFICACIÓN DE VOZ

GSM es un sistema digital, con lo que se ha de digitalizar la voz mediante un

conversor para enviarla por el interfaz aire. El método empleado por las redes

ISDN y los actuales sistemas telefónicos es la modulación PCM[19]. La trama de

salida del PCM son 64 kbps, que es una velocidad demasiado alta para un canal

de radio. La voz se divide en muestras de 20 ms, y cada una de ellas se codifica

como 260 bits, dando una velocidad de 13 kbps.

[19] Pulse Code Modulation: es una representación digital de una señal analógica, donde la magnitud de la

señal es muestreada regularmente a intervalos uniformes, luego cuantizada a una serie de símbolos

en un código digital.

34

2.3.4 CONTROL DE POTENCIA

Los terminales GSM están subdivididos en cinco clases basándose en la máxima

potencia con la que pueden transmitir sobre el canal radio, que varía desde un

máximo de 20W a un mínimo de 0.8W. La Tabla 2.3 resume las características de

estas cinco clases:

Clase de potencia

Máxima salida de potencia GSM 900

Máxima salida de potencia DCS 1800

Máxima salida de potencia PCS 1900

1 20 W (43 dBm) 1 W (30 dBm) 1 W (30 dBm)2 8 W (39 dBm) 0,25 W (24 dBm) 0,25 W (24 dBm)3 5 W (37 dBm) 2 W (33 dBm)4 2 W (33 dBm)5 0,8 W (29 dBm)

Tabla 2.3 Clases de Potencias para Estaciones Móvil es [2.4]

Para hacer mínima la interferencia entre canales y ahorrar energía, ambos el

móvil y la estación base funcionan con el menor nivel de potencia necesario para

mantener una señal de calidad aceptable. El nivel de potencia se puede subir o

bajar en pasos de 2dB hasta un mínimo de 13 dBm (20 mW).

2.4 ASPECTOS DE LA RED[2.2]

Una parte de las funciones de una red móvil celular es asegurar la transmisión de

datos y voz con una determinada calidad sobre el enlace de radio.

En general, las antenas GSM, que están polarizadas verticalmente, están

situadas en zonas urbanas en lo alto de edificios y en zonas rurales en lo alto de

torres construidas para el efecto. Se suelen poner 9 antenas situadas en tres

planos a 120º (Figura 2.9) de forma que hay 3 antenas por plano. De las 3

35

antenas situadas en cada plano las de los extremos son de recepción y la central

de transmisión

Figura 2.9. Ante